百年浮沉与发展 “暗星”与它的追寻者们--从18世纪至今的黑洞简史

来源:cnBeta | 2022-05-11 13:54:16 |

2018年底,引力波观测站LIGO宣布,他们探测到了有史以来最遥远、最大规模的时空涟漪源:由一对黑洞在深空碰撞引发的引力波。自2015年以来,科学家们才得以观察到这些看不见的天文体,当时只能通过它们的引力吸引来检测。然后在2019年的一次突破中,事件地线望远镜(EHT)首次捕捉到黑洞及其阴影的图像。

人类寻找这些神秘物体的历史可以追溯到18世纪,但关键阶段发生在人类历史上一个适当的黑暗时期--第二次世界大战。

自然哲学家约翰·米歇尔和后来的皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在18世纪首次考虑了一个能捕获光线的物体,从而使宇宙的其他部分看不见的概念。他们利用牛顿的引力定律计算了光粒子从一个物体中的逃逸速度,另外还预测了存在着密度大到光无法从其中逃逸的恒星。Michell称它们为“暗星”。

但在1801年发现光以波的形式存在之后,人们不清楚光会如何受到牛顿引力场的影响,所以暗星的想法被放弃了。大概过了115年,阿尔伯特·爱因斯坦在1915年提出了广义相对论,一年后卡尔·施瓦茨柴尔德解决了这个问题,这才使得科学家们了解到波的形式的光在引力场的影响下会有什么表现。

另外,施瓦茨柴尔德还预测了一个天体的临界圆周的存在--施瓦茨柴尔德半径。据悉,由于其超过这个圆周所以导致光无法穿过。这个想法跟米歇尔的想法相似,但现在这个临界周长被理解为一个不可逾越的障碍。

直到1933年,乔治·勒梅特才表明,这种不可穿透只是远方观察者的一种错觉。通过利用现在著名的爱丽丝与鲍伯的例子,这位物理学家假设,如果鲍伯站着不动而爱丽丝跳进黑洞,那么鲍伯就会看到爱丽丝的影像变慢,直到在到达施瓦茨柴尔德半径之前凝固。勒梅特还指出,在现实中,爱丽丝穿过了那道屏障。鲍伯和爱丽丝只是经历了不同的事件。

尽管有这样的理论,但在当时,还没有任何已知的天体具有这样的大小,甚至没有任何东西接于黑洞。因此,没有人相信类似于米歇尔所假设的暗星的东西会存在。事实上,甚至没有人敢于认真对待这种可能--直到第二次世界大战期间。

从暗星到黑洞

1939年9月1日,纳粹德国军队入侵波兰,进而引发了永远改变世界历史的战争的开始。值得注意的是,就在这一天,第一篇关于黑洞的学术论文被发表。J-罗伯特·奥本海默和哈特兰·斯奈德这两位美国物理学家发表的《论持续的引力收缩》这篇现在备受赞誉的文章则是黑洞历史上的一个关键点。当考虑到二战余下时间在黑洞理论发展中的核心地位时,这个时间点显得特别奇怪。

这是奥本海默在天体物理学方面的第三篇也是最后一篇论文。在这篇论文中,他和斯奈德预测了一颗恒星在其自身引力场的影响下持续收缩并形成一个具有强烈吸引力的天体--甚至连光都无法从它身上逃脱。这是现代黑洞概念的第一个版本,黑洞是一个巨大的天文体,只有通过其引力才能被探测到。

在1939年,这仍是一个奇怪的想法,它让人无法相信。而直到这一概念发展到足以让物理学家们开始接受奥本海默所描述的持续收缩的后果还需要二十年的时间。而二战本身在其发展中起到了至关重要的作用,因为美国政府在研究原子弹方面进行了投资

从灰烬中重生

当然,奥本海默不仅是黑洞历史中的一个重要人物。他后来成为曼哈顿计划的负责人,该研究中心带来了原子武器的发展。

政治家们明白投资科学的重要以便带来军事优势。因此,从整体上看,在跟战争有关的革命物理学研究、核物理学和新技术的开发方面有着广泛的投资。各种各样的物理学家都致力于这种研究,而作为一个直接的后果,宇宙学和天体物理学领域大多被遗忘,这包括奥本海默的论文。

尽管大规模的天文学研究失去了十年,但物理学学科作为一个整体在战争中蓬勃发展--事实上,军事物理学最终增强了天文学。美国在战争中成为现代物理学的中心。博士的数量急剧上升并建立了一个新的博士后教育传统。

等到战争结束时,对宇宙的研究被重新点燃了。曾经被低估的广义相对论也出现了复兴。战争改变了我们做物理学的方式:最终,这带来了宇宙学和广义相对论领域得到了应有的认可。而这是接受和理解黑洞的根本。

随后,普林斯顿大学成为新一代相对论者的中心。正是在那里,后来普及了“黑洞”这一名称的核物理学家约翰·惠勒第一次接触到广义相对论并重新分析了奥本海默的工作。起初他持怀疑态度,但在战争爆发的那一天即1939年9月1日,密切相对论者的影响、计算模拟的新进展及无线电技术的发展使他成为奥本海默预言的最大热情者。

从那时起,黑洞的新属和新类型被理论化和发现,但所有这些在2015年才达到高潮。对黑洞双星系统中产生的引力波的测量是黑洞存在的第一个具体证明。

关键词: 黑洞简史 引力波观测 时空涟漪 广义相对论


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